一種保證電路穩(wěn)定工作的方法

放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載,是比較容易引發(fā)穩(wěn)定性問題的電路。本篇將結(jié)合仿真討論放大器自身的容性負(fù)載能力，以及針對(duì)容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不足的情況，提供一種依據(jù)放大器開環(huán)輸出阻抗參數(shù)補(bǔ)償容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，保證電路穩(wěn)定工作的方法。

1 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)參數(shù)定義

先看一個(gè)案例，如圖2.110是一款常見基準(zhǔn)源緩沖驅(qū)動(dòng)電路。筆者曾接觸到一位工程師使用直流參數(shù)極好的ADA4522-2作為ADC基準(zhǔn)源的緩沖器，輸出通過電容C1(10μf)、C2（0.1μf），連接到一款24bit ∑?型ADC的基準(zhǔn)源引腳。工程師反饋基準(zhǔn)源的輸出非常穩(wěn)定，但是在ADA4522輸出存在振蕩。

圖2.110 ADA4522基準(zhǔn)源緩沖電路

使用電路仿真，瞬態(tài)分析結(jié)果如圖2.111，輸出振蕩范圍在2.486~2.514V，這對(duì)于精密采集電路無疑是致命的問題。

圖2.111 ADA4522基準(zhǔn)源緩沖電路瞬態(tài)分析結(jié)果

筆者建議工程師使用具有容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的放大器ADA4807進(jìn)行替換，如果將圖2.110基準(zhǔn)源驅(qū)動(dòng)電路中，ADA4522替換為ADA4807，電路如圖2.158。

圖2.158 ADA4807基準(zhǔn)源緩沖電路

進(jìn)行瞬態(tài)分析的結(jié)果如圖2.159，在ADA4807輸出直接驅(qū)動(dòng)10μf與0.1uf電容時(shí)，電路輸出2.5V十分穩(wěn)定。

圖2.159 ADA4807基準(zhǔn)源緩沖電路瞬態(tài)分析結(jié)果

導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是ADA4807相比ADA4522具有一定的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力（Capacitive Load Drive）是指放大器輸出驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，對(duì)輸出信號(hào)過沖的抑制能力，通常以百分比表示。

如圖2.160，表示ADA4807在增益為1倍的電路中，輸出驅(qū)動(dòng)15pf電容，當(dāng)輸出信號(hào)峰峰值為20mV時(shí)，輸出過沖的在17%以內(nèi)。

圖2.160 ADA4807輸出特性

通過圖2.161可以更好的理解這一過程，負(fù)載電容為15pf，輸出信號(hào)從-10mV到+10mV的階躍變化，過充電壓大約為3.5mV。

圖2.161 ADA4807不同容性負(fù)載下的小信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)

2 容性負(fù)載對(duì)穩(wěn)定性的影響

放大器輸出驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，開環(huán)輸出電阻Ro與負(fù)載電容Cload組成一階RC電路。如圖2.262，新增極點(diǎn)fp,頻率為式2-93。

其中，開環(huán)輸出電阻Ro，近似等于開環(huán)輸出阻抗。

新增極點(diǎn)fp處相位延遲45°，高于10倍fp頻率的相位延遲90°。參考《放大器相位裕度與電路穩(wěn)定性判斷方法》，在環(huán)路增益為0dB時(shí)，使用放大器的相位裕度判斷電路是否穩(wěn)定，即是否能直接驅(qū)動(dòng)該容性負(fù)載。

圖2.162放大器開環(huán)輸出阻抗驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載電路圖

如圖2.163（a），以ADA4625-1為例的環(huán)路增益仿真電路，根據(jù)上一篇《放大器輸出阻抗的參數(shù)計(jì)算與仿真》可知ADA4625-1開環(huán)輸出電阻Ro約為28.96Ω，當(dāng)電路輸出直接驅(qū)動(dòng)1uf容性負(fù)載時(shí)，由式2-93計(jì)算新增極點(diǎn)頻率約為5.495KHz。另外，使用ADA4625輸出驅(qū)動(dòng)純電阻電路進(jìn)行對(duì)比，如圖2.163（b）。

圖2.163 ADA4625驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載與阻性負(fù)載電路

AC分析結(jié)果如圖2.164，ADA4625驅(qū)動(dòng)純阻性負(fù)載電路的環(huán)路增益為V(fb1)/V(in1)曲線，在30.1KHz處，V(fb1)/V(in1)曲線為53.118dB；在301.74KHz處，V(fb1)/V(in1)曲線為32.904dB,頻率增益十倍增益衰減接近20dB。V(fb1)/V(in1)曲線波特圖為0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的相位裕度為69.462°，判定電路輸出穩(wěn)定。

圖2.164 ADA4625驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載與阻性負(fù)載的環(huán)路增益波特圖AC分析結(jié)果

ADA4625驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載電路的環(huán)路增益為V(fb)/V(in)曲線，與V(fb1)/V(in1)曲線的幅頻特性在低頻范圍內(nèi)重合。在6.9KHz處V(fb1)/V(in1)曲線與V(fb)/V(in)曲線的增益相差3dB，另外在6.9KHz前后20倍頻率內(nèi)V(fb)/V(in)曲線相位延遲90°，即ADA4625-1的 Ro與Cload組成的極點(diǎn)頻率為6.9KHz。在30.1KHz處，V(fb)/V(in)曲線的增益為39.785dB。在301.74KHz處，V(fb)/V(in)曲線的增益為0dB,頻率增加十倍增益衰減接近40dB。V(fb)/V(in)曲線在波特圖0dB處，對(duì)應(yīng)相位裕度為1.075°，判斷電路不穩(wěn)定。

3 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償方法與仿真

補(bǔ)償放大器容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不足的方法是增加零點(diǎn)fz補(bǔ)償極點(diǎn)產(chǎn)生相位延遲。如圖2.165（a），在放大器的輸出端Vout與容性負(fù)載Cload之間串聯(lián)隔離電阻Riso,電路的輸出傳輸網(wǎng)絡(luò)簡化為2.165（b）,傳遞函數(shù)為式2-94。

由式2-94可見，使用隔離電阻Riso之后，極點(diǎn)頻率調(diào)整為式2-95。

新增零點(diǎn)頻率為式2-96。

為保證補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，放大器穩(wěn)定工作，即Avoβ為0dB時(shí)，相位裕度大于45°，零點(diǎn)頻率至少設(shè)置在Avoβ為20dB處，因此隔離電阻最小值Riso_MIN為式2-97。

如圖2.167，環(huán)路增益曲線為20dB時(shí)，頻率為94.69KHz。代入式2-97計(jì)算隔離電阻為：

圖2.165容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電路分析

將圖2.163（a）作為比對(duì)電路，應(yīng)用在圖2.166（a）。將所計(jì)算的Riso阻值，應(yīng)用于容性負(fù)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電路，如圖2.166（b）。

圖2.166 ADA4625容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電路

AC分析結(jié)果如圖2.167，使用Riso補(bǔ)償電路的環(huán)路增益V(fb1)/V(in1) 曲線的增益為0dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的相位裕度為83.69°。判斷所使用的補(bǔ)償方法有效，放大器輸出穩(wěn)定。

圖2.167 ADA4625容性負(fù)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電路波特圖AC分析結(jié)果

綜上，在一些精密放大器的規(guī)格書中，可能沒有提供容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)參數(shù)，所以工程師容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)的電路中認(rèn)真評(píng)估所使用放大器的驅(qū)動(dòng)能力。針對(duì)驅(qū)動(dòng)能力不足的放大器，需要結(jié)合放大器的開環(huán)輸出阻抗設(shè)計(jì)隔離電阻,將新增零點(diǎn)的頻率至少設(shè)置在原電路環(huán)路增益為20dB處進(jìn)行補(bǔ)償，保證電路穩(wěn)定工作。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：放大器容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)的參數(shù)評(píng)估與穩(wěn)定性改善方法

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